(57)【要約】【課題】  超伝導デバイスにおいて、局所的な電流の集中を防止するとともに、安定した高周波伝送特性を実現し、電流特性と電力特性を両立させる。【解決手段】  超伝導デバイスは、誘電体基板（１１）と、前記誘電体基板上に超伝導材料で形成された２次元回路パターン（１２）とを備え、前記２次元回路パターンは、少なくとも一部に円弧を含むノッチ（２０）を有し、ノッチの円弧部分の曲率半径Ｒは、実効波長λの１／４以下である。【選択図】  図４
2006101187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に超伝導材料で形成された２次元回路型の共振器パターンと
を備え、前記共振器パターンは、少なくとも一部が円弧で形成されるノッチを有することを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項２】
前記ノッチの円弧部分の曲率半径Ｒは、実効波長λの１／４以下であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項３】
前記誘電体基板は、３〜５ＧＨｚの周波数で、誘電率が８〜１０であることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導デバイス。
【請求項４】
前記誘電体基板の裏面に形成されるグランド膜と、前記共振器パターンに向かって延びる信号入出力線をさらに有し、前記共振器パターンは、４ＧＨｚ帯で互いに直交する２つの共振を発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超伝導デバイス。
【請求項５】
前記超伝導材料は、酸化物超伝導材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに超伝導デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導デバイスに関し、特に、移動通信や放送の分野において、送信フィルタやアンテナ等の送信フロントエンドに適用されるデュアルモード型超伝導デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話の普及、発展に伴い、高速・大容量の伝送技術が不可欠になってきている。超伝導体は、高周波領域においても、通常の電気的良導体に比べて表面抵抗が非常に小さいので、低損失、高Ｑ値の共振器が期待でき、移動通信の基地局用のフィルタとして有望視されている。
【０００３】
たとえば、図１（ｃ）に示すように、アンテナ１５１を介して受信されたＲＦ信号は、受信系フロントエンドを構成する帯域フィルタ（ＢＰＦ）１５２Ｒ、低ノイズアンプ（ＬＮＡ）１５３、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）１５４、復調器（ＤＥＭＯＤ）１５５を経て、ベースバンド部１５６でベースバンド処理される。
【０００４】
送信系では、ベースバンド部１５６で処理された信号は、変調器（ＭＯＤ）１５７、アップコンバータ（Ｕ／Ｃ）１５８、ハイパワーアンプ（ＨＰＡ）１５９、帯域フィルタ（ＢＰＦ）１５２Ｔを経て、ＲＦ信号としてアンテナ１５１から放射される。
【０００５】
超伝導フィルタを、受信側の帯域フィルタ１５２Ｒに適用する場合、伝送ロスが少なく、急峻な周波数遮断特性が期待される。一方、送信側の帯域フィルタ１５２Ｔに適用する場合は、ハイパワーアンプ１５９によって発生する歪を取り除く効果が期待できるが、高周波信号を送信するために大電力を要し、小型化と良好な電力特性の両立が、目下の課題となっている。
【０００６】
従来、共振器のパターンとして、図１（ａ）に示すヘアピン型の超伝導パターン１０２や、図１（ｂ）に示すストレートライン型の超伝導パターン１０２が用いられていた（たとえば、特許文献１および２参照）。誘電体基板１０１の裏面には、超伝導グランド膜１０４がベタ形成され、誘電体基板１０１の表面側に、ヘアピンあるいは直線状の超伝導パターン１０２と、フィーダが形成される。
【０００７】
このようなマイクロストリップライン構造の場合、特に送信側で高いＲＦパワーが入力されると、損失が増大してしまうという問題がある。これは、マイクロ波などの高周波は導体のエッジ部分に集中しやすく、マイクロストリップラインのエッジまたはコーナー部分に電流が集中して、その電流密度が超伝導体の臨界電流密度を超えてしまうからだといわれている。
【０００８】
そこで、図２（ａ）に示すように、電流集中を緩和したディスク型パターンが提案されている。すなわち、誘電体基板１０１の表面に、コーナー部分やエッジ部分の少ないディスク型の超伝導パターン１１２を形成して、送信フィルタとしての大電力応答を実現しようとするものである。
【０００９】
たとえば、図２（ｂ）に示すようなＴＭ１１モードの共振器として構成される場合、電流は、ディスクの直径に対して対称な弧を描いて、均一に流れる。磁界は、電流と直交する方向に向く。
【００１０】
しかし、このようなディスク型共振器を多数並べた多段フィルタやアレイアンテナは、大型化してしまうという欠点がある。
【００１１】
そこで、図３に示すように、ディスク型超伝導パターン１２２の円周の一部にノッチ１２５を設けることにより、お互いに直交した電磁界モードの縮退を解いて共振周波数を分離させ、デュアルモードフィルタとして機能させるパターンが用いられている。中心周波数ｆ０を挟んで、低周波数ｆ１側（電流の流れはＡ方向）と、高周波数ｆ２側（電流の流れはＢ方向）に、二つの共振を発生させている。
【特許文献１】特開２００１−３０８６０３号公報
【特許文献２】特開平３−１９４９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、ノッチ１２５を設けたため、図３に示すように、低周波数ｆ１側の電流が、ノッチのコーナー部分により集中し、ノッチを設けない基本のディスク型共振器の最大電流密度を越えてしまう。図３の電流密度分布図では、電流密度の高い領域は矢印で示す部分であり、特にコの字型のノッチの底部とコーナー部分が高くなっている。円形の超伝導パターンの円周に沿った影の部分は、逆に電流集中が低い部分である。なお、周波数ｆ１とｆ２は、最大電流密度時は位相が４５°ずれている。
【００１３】
このように、ノッチのコーナー部分やエッジに電流が集中する結果、超伝導共振器を用いた帯域フィルタやアンテナにおいて、耐電力（許容電力）の低下や歪の増大が発生してしまう。
【００１４】
そこで、本発明は、耐電力特性を向上し、歪を低減した超伝導デバイスを提供することを課題とする。このような超伝導デバイスは、送信用フィルタやアンテナに好適に用いられる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は、円形、楕円形、多角形など、２次元回路型の超伝導共振器パターンにおいて、ノッチの少なくとも一部、とくに電流集中箇所の形状を、曲線または円弧状にする。
【００１６】
ノッチの円弧部の形状によって、互いの電磁界モードが干渉する度合い（カップリング）が異なる。円弧の半径が大きいほど電流の集中を緩和できるが、モードのカップリングが変化して帯域幅が増大するため、円弧部の曲率半径は実効波長の１／４（λ／４）以下であるのが望ましい。
【００１７】
具体的には、本発明の一側面では、超伝導デバイスは、
（ａ）誘電体基板と、
（ｂ）前記誘電体基板上に超伝導材料で形成された２次元回路型の共振器パターンと
を備え、共振器パターンは、少なくとも一部に円弧を含むノッチを有する。
【００１８】
ノッチの少なくとも一部を曲線または円弧状にすることで、電流の集中を防止し、電力特性や周波数特性を良好に維持することができる。
【００１９】
ここで、２次元回路型とは、ヘアピン型やマイクロストリップ型などのライン形状の回路パターンではなく、円形、楕円、多角形などの平面図形形状であることを意味する。
【００２０】
ノッチの円弧部分の曲率半径Ｒは、実効波長λの１／４以下であることが望ましい。
【００２１】
前記誘電体基板は、たとえば３〜５ＧＨｚの周波数で、８〜１０の誘電率を有する。
【００２２】
上述した超伝導デバイスは、誘電体基板の裏面に形成されるグランド膜と、前記共振器パターンに向かって延びる信号入出力線をさらに有し、共振器パターンは、４ＧＨｚ帯で互いに直交する２つの共振を発生させる。
【００２３】
このような構成により、高周波領域で、２つの共振モードで動作する超伝導デバイスが実現される。
【発明の効果】
【００２４】
２次元回路型の超伝導共振器パターンを有する超伝導デバイスにおいて、エッジ部分への電流の集中を防止し、特に、ハイパワーの送信側で、歪を低減し、電力特性を良好に維持できる。
【００２５】
また、１つの超伝導デバイスで２つの共振モードを発生させ、多段フィルタなどに適用する場合に、装置の小型化をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図４〜図９を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。
【００２７】
図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る超伝導デバイスの概略図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の超伝導デバイスを移動通信システムの基地局の送信用超伝導フィルタに用いるために金属パッケージに実装した様子を示す概略図である。
【００２８】
超伝導デバイスは、ＭｇＯ単結晶基板などの誘電体基板１１と、ＭｇＯ誘電体基板１１の表面に超伝導材料で所定の形状に形成された超伝導共振器パターン１２と、超伝導フィルタパターン１２の近傍に延びる信号入出力線（フィーダ）１３と、ＭｇＯ誘電体基板１１の裏面に形成されたグランド用電極（グランド膜）１４と、を備える。図４の例では、超伝導材料としてＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）材料を用いている。
【００２９】
超伝導共振器パターン１２は、ノッチ２０を有する２次元回路パターン（ディスクパターン）であり、ノッチ２０は、少なくともその一部に円弧部分を含む。ノッチ２０により、２つの共振周波数をカップリングさせている。
【００３０】
なお、本明細書および特許請求の範囲において「２次元回路パターン」あるいは「２次元回路型のパターン」という場合は、ライン状（１次元）のパターンとは区別され、円形、楕円形、多角形などの平面回路パターンを意味するものとする。
【００３１】
誘電体基板１１は、ＭｇＯ単結晶基板以外に、３〜５ＧＨｚの周波数で８〜１０の誘電率を有する任意の誘電体基板を用いることができる。
【００３２】
信号入出力用の電極１５から超伝導共振器パターン１２へ向かって延びるフィーダ１３の一方は、信号入力として用いられ、他方は、信号出力として用いられる。
【００３３】
図４（ｂ）において、２次元回路型の超伝導デバイスを、表面に金メッキを施した金属パッケージ３０に実装し、図示しない天板を取り付ける。金属パッケージ３０には、入出力コネクタ３１が固定されており、フィーダ１３の端部につながる電極１５と、入出力コネクタ３１の中心導体が電気的に接合される。電気的な接合は、ワイヤ方式、テープ方式、ハンダ方式など、任意の方法を採用することができる。ＭｇＯ誘電体基板１１の裏面のベタ膜によるグランド電極１４は、金属パッケージ３０との電気的接続を向上させる。
【００３４】
図５は、超伝導共振器パターン１２のノッチ形状の一例を示す図である。図５（ａ）において、ノッチ２０は、Ｕ字型のノッチであり、曲線部分と直線部分を含む。Ｕ字型の底部を構成する円弧（曲線）部分の曲率半径Ｒは、実効波長の１／４（λ／４）以下であることが望ましい。曲率半径Ｒが大きいほど電流集中は緩和できるが、モードのカップリングも変化し、帯域幅が増大するからである。
【００３５】
図５（ｂ）の例では、ノッチ２０は、直線部分を排除して、円弧のみで形成されている(ラウンドカット)。この場合も、曲率半径Ｒは、λ／４以下である。
【００３６】
このような超伝導デバイスを作製するには、たとえば２０×２０×０．５ｍｍのＭｇＯ単結晶基板１１の両面に、レーザ蒸着法を用いてＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）薄膜を形成する。ＹＢＣＯ薄膜の膜厚は、フィルタ特性に応じて適宜選択され、たとえば０．５μｍである。片面側のＹＢＣＯ薄膜を、フォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、円弧型のノッチ２０を有するディスク型の共振器パターン１２と、フィーダ１３を形成する。ディスク型共振器パターン１２の直径は１４ｍｍ程度である。フィーダ１３の端部に金属電極１５を形成する。ＭｇＯ単結晶基板１１の他方の面のＹＢＣＯ膜はベタ膜として残し、グランド電極１４とする。
【００３７】
これを金属パッケージ３０に実装して、共振器を完成させる。図４に例示される超伝導デバイスは、たとえば第４世代の移動通信への適用が考えられ、４ＧＨｚ帯で、互いに直交する方向に２つの共振を有する。
【００３８】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、超伝導共振器パターンのノッチ部分のさらに別の変形例を示す図である。図６に描かれるノッチの例では、円弧部分の曲率半径Ｒはλ／４以下、さらにはλ／８以下であることが望ましい。
【００３９】
図７は、本発明の実施形態に係る超伝導パターンを用いたときの、電流密度集中の低減効果を示す図である。図中、矢印で示すように、図３の従来の矩形ノッチを有する超伝導共振器パターンと比較して、低周波数ｆ１側でのノッチ近傍への電流密度の集中が、大幅に低減されていることがわかる。
【００４０】
なお、図７においても、円形の超伝導パターンの円周に沿った領域の影の部分は、電流密度の低い部分である。
【００４１】
図８は、本発明の実施形態に係る超伝導デバイスの電流密度集中低減効果と、周波数特性を示すグラフである。電流密度集中の低減効果として、矩形ノッチ（通常カット）の超伝導デバイスと、円弧部分を含むノッチ（ラウンドカット）の超伝導デバイスの最大電流密度を、周波数の関数で示す。従来の通常カットの最大電流密度は、白の四角でプロットされ、本発明のラウンドカットの最大電流密度は、白丸でプロットされている。また、本発明の実施形態に係る超伝導デバイスの周波数特性として、入力反射特性（Ｓ１１）と、伝送特性（Ｓ２１）を示している。
【００４２】
グラフから明らかなように、ノッチの一部または全部を円弧とするラウンドカットにすることによって、通常の矩形カットと比較して、最大電流密度が大幅に低減されることがわかる。また、Ｓ１１特性で示されるように、４ＧＨｚ帯域において、２つの共振の落ち込みが明確に存在し、デュアルモードフィルタあるいは２段フィルタとしての良好な周波数特性を示している。
【００４３】
図９は、本発明の実施形態に係る超伝導デバイスの電力特性と歪特性を示すグラフである。電力特性および歪特性を測定するために、図５（ｂ）のようなラウンドカットの超伝導パターンを有する共振器試料を準備し、これを金属デュワー内に実装した。デュワーをヘリウムガスで満たし、７０〜８０Ｋの温度範囲で、冷却・昇温を行った。各温度における共振カーブの測定は、図８の周波数特性に示すとおりである。同じ条件下で、ＲＦ電力特性として、耐電力性を測定するために、入出力電力測定を行った。また、歪特性を測定するため、３次相互変調歪（ＩＭＤ３）を測定した。
【００４４】
デュアルモードの各共振周波数ｆ１、ｆ２の電力を加えていくと、従来の矩形ノッチを有する超伝導パターンでは、温度７７．３Ｋにおいて、クエンチ現象が発生する。すなわち、図９の黒のひし形で示すように、入力側の電力を上げていくと、低周波側のｆ１の出力電力が、３３．６ｄＭｎあたりで急激に落ち込み、損失が増大する。
【００４５】
これに対し、本発明の円弧型のノッチを有する超伝導パターンでは、図９の黒丸で示すように、クエンチの発生なしに、４０ｄＢｍ以上の耐電力性が達成される。
【００４６】
また、３次元相互変調歪（ＩＭＤ３）の測定では、各共振周波数ｆ１、ｆ２の近傍で、１ＭＨｚ隣接の２波を加え、共振器の非線形応答に起因する３次相互変調歪（ＩＭＤ３）を測定した。従来の超伝導パターンのＩＭＤ３を白の四角で、本発明の実施形態に係る超伝導パターンのＩＭＤ３を白丸で表わす。グラフから明らかなように、一部または全部を円弧とするノッチ入りの超伝導パターンとすることによって、従来の矩形ノッチ入りの超伝導パターンと比較して、３次相互変調歪が約１０ｄＢｍ低減されることが確認できる。
【００４７】
以上説明したように、本発明によれば、耐電力（許容電力）が向上し、歪を低減した超伝導デバイスが実現される。このような超伝導デバイスは、送信用共振器やフィルタ、アンテナに良好に適用され、移動通信や放送分野において、高性能な送受信フロントエンドを提供できる。
【００４８】
なお、特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００４９】
たとえば、実施形態では超伝導材料としてＹＢＣＯ薄膜を用いたが、任意の酸化物超伝導材料を用いることができる。たとえば、ＲＢＣＯ（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系薄膜、すなわち、Ｒ元素としてＹ（イットリウム）に代えて、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｈｏを用いた超伝導材料を用いてもよい。また、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5＜ｐ＜2.5、2.5＜ｑ＜3.5、3.5＜ｒ＜4.5）を超伝導材料に用いてもよい。
【００５０】
誘電体基板は、ＭｇＯ単結晶基板に限定されず、たとえば、ＬａＡｌＯ3 基板、サファイア基板などを用いてもよい。
【００５１】
また、超伝導材料で形成される２次元回路パターンは、コーナー部分やエッジ部分をなるべく減らす意味から、円形（ディスク形状）であることが望ましいが、多角形パターンを用いる場合でも、少なくとも一部に円弧を含むノッチを形成することによって、電流集中を低減しつつ、デュアルモードを実現することができる。
【００５２】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）  誘電体基板と、
前記誘電体基板上に超伝導材料で形成された２次元回路型の共振器パターンと
を備え、前記共振器パターンは、少なくとも一部が円弧で形成されるノッチを有することを特徴とする超伝導デバイス。
（付記２）  前記ノッチの円弧部分の曲率半径Ｒは、実効波長λの１／４以下であることを特徴とする付記１に記載の超伝導デバイス。
（付記３）  前記誘電体基板は、３〜５ＧＨｚの周波数で、誘電率が８〜１０であることを特徴とする付記１または２に記載の超伝導デバイス。
（付記４）  前記誘電体基板の裏面に形成されるグランド膜と、前記共振器パターンに向かって延びる信号入出力線をさらに有し、前記共振器パターンは、４ＧＨｚ帯で互いに直交する２つの共振を発生させることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の超伝導デバイス。
（付記５）  前記超伝導材料は、酸化物超伝導材料であることを特徴とする付記１〜４のいずれかに超伝導デバイス。
（付記６）  前記共振器パターンは、円形パターンであることを特徴とする付記１に記載の超伝導デバイス。
（付記７）  前記ノッチは、Ｕ字型または半円形であることを特徴とする付記１に記載の超伝導デバイス。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】移動通信システムに適用される従来の超伝導フィルタデバイスを説明するための図であり、ヘアピン型や、ストレートライン型の超伝導パターンを有する共振器の図である。
【図２】従来のディスク型の超伝導パターンを有する共振器の図である。
【図３】従来のノッチ入りディスク型超伝導共振器パターンにおける電流密度の集中を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る超伝導デバイスの概略構成図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る円弧部分を含むノッチ入りの超伝導パターンの例を示す図である。
【図６】円弧部分を含むノッチ入りの超伝導パターンの変形例を示す図である。
【図７】本発明の超伝導デバイスの電流密度集中の低減効果を示す図である。
【図８】本発明の超伝導デバイスの電流密度集中の低減効果と周波数特性を示すグラフである。
【図９】本発明の超伝導デバイスの電力特性と歪特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１０  超伝導フィルタ
１１  誘電体基板
１２  超伝導パターン
１３  フィーダ（信号入出力線）
１４  グランド膜
１５  電極
【図１】
2006101187.tif 000003
【図２】
2006101187.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006101187.tif 000007
【図８】
2006101187.tif 000008
【図９】
2006101187.tif 000009
【図３】
2006101187.tif 000010
【図７】
2006101187.tif 000011